下肢截肢是一个日益严重的公共卫生问题和经济问题,而有效的下肢假肢装备可以较好地代偿患者部分己丧失的肢体功能,让截肢患者更好地重归正常生活。假肢脚是下肢假肢的关键组成部分,其功能结构设计对下肢截肢患者的行走步态恢复意义重大。从传统假肢脚到储能假肢脚,再到各种新型仿生假肢脚的发展过程中,结构简单的假肢脚刚度固定且对截肢患者步态恢复效果较差,而恢复效果较好的成本高。目前假肢脚的功能结构设计参考多局限于纵向足弓特征,缺少对横向足弓特征的参考,但近期研究表明横向足弓可能在人体足部的功能结构中扮演着更加重要的角色,故本文以人体横向足弓为主要研究对象和作为仿生假肢脚设计的重要参考,设计了具有横向足弓特征的仿生假肢脚板,制备了物理样机并对其性能进行了研究,验证其功能结构设计的有效性。本文的主要研究工作如下:首先,总结分析了各类假肢脚的各自优点及其功能限制,明晰了假肢脚结构特点和功能需求之间的联系,为新型仿生假肢脚的功能目标选择和对应功能的结构设计提供了对照。对足部结构、行走规律和足弓生物力学特性进行研究,分析了横向足弓曲率分布规律:内侧曲率大,刚度大,保证支撑推进作用;外侧曲率小,刚度小,保证缓冲作用。提取了足部前掌不同横截面位置的横弓曲率并拟合出曲线方程。结合跗跖关节横弓曲率拟合曲线和跖趾关节横弓曲率拟合曲线复现了横向足弓的主要功能结构特征。而后,基于人体横向足弓和纵向足弓的功能结构特征,分别设计了两款静态变刚度仿生假肢脚板和两款动态变刚度仿生假肢脚板,其结构简单且重量小,有效提高了整体刚度和储能回弹效果,同时其不均匀的横向曲率分布使其刚度能够动态适应变化的运动速度和运动环境。建立了刚度梯度变化仿生假肢脚板的有限元模型,通过仿真分析检验其结构强度和舒适度,优化了曲板曲率、曲板厚度和纤维排布等设计参数。最后,制备了刚度梯度变化的仿生横弓假肢脚板物理样机,并对其进行了静态结构测试,检验了假肢脚跖背屈变形量以及内外分趾的刚度差异;同时,通过调整假肢脚前掌曲板的厚度和纤维组成,优化了假肢脚板的刚度并重新制备了物理样机。对7名下肢截肢患者分别进行了穿戴行走测试,通过三维运动捕捉系统和测力板采集了各受试者运动学和动力学数据。通过逆向运动学和逆向动力学计算得到了受试者关节角数据和关节扭矩数据,结果表明了不均匀刚度分布的横弓假肢脚板有较好的储能推进作用和缓冲作用。